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随着高风速风能资源的开发殆尽,风能蕴含总量巨大且更加接近负荷中心的低风速风能逐步成为风力发电的新增长点。但是,面对复杂的低风速湍流风况和更大风轮转动惯量的共同影响,低风速风能高效率捕获面临巨大的挑战,沿用传统最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制很难使低风速风力机获得令人满意的风能捕获效率。为此,本文针对低风速风力机的运行风况及其结构特点,总结出低风速风力机MPPT控制器设计所需关注的设计要素。围绕这些设计要素,本文分析比较了最优转矩法和叶尖速比法两类常见MPPT方法的不足,并分别提出了改进控制策略。本文取得的主要成果如下:1.针对低风速湍流风况与大尺寸风轮的缓慢动态特性,本文总结了低风速风力机MPPT控制器设计需要关注的三个设计要素,包括转速跟踪性能、风力机载荷和执行机构限制。在此基础上,围绕这些设计要素分析得到:最优转矩法因受限于其实现原理而具有较差的转速跟踪性能;叶尖速比法在提升转速跟踪性能的同时使风力机承受更大的载荷;发电机电磁转矩调节范围限制会显著影响MPPT控制器的实际控制效果。因此,对于两类MPPT控制方法的改进,需要兼顾上述三个设计要素。2.针对最优转矩法转速跟踪性能较差的问题,本文基于滑模控制的思想提出了一种加速最优转矩法。它不仅提升了风力机的转速跟踪性能,而且通过附加模糊控制策略对抖振加以抑制,有效提升风力机的风能捕获效率。该方法能够保持最优转矩法不需要风速观测的优势,并可避免电磁转矩超出其调节范围。区别于既有方法调整转矩曲线设定的改进思路,本文方法改变了原有控制器的结构,引入了风轮加速度信息,避免了对统计风况信息的依赖,为最优转矩法的改进提供了一种可行途径。3.针对传统叶尖速比法会大幅增加风力机载荷的问题,本文提出了一种基于变参数非线性反馈的MPPT控制方法。考虑到风轮转速的激进调节会导致电磁转矩更大范围的波动并增大风力机载荷,本文从平抑转矩波动入手,通过参数的在线调节避免发电机电磁转矩出现不必要的波动,在提升转速跟踪性能的同时抑制风力机载荷的增大。4.MPPT控制实现最大化风能捕获的机理是跟踪最优转速。但是,本文研究发现:对于运行在低风速、复杂湍流环境下的大转动惯量风力机,最优转速的快速变化会超出其本身的转速跟踪能力,使风力机很难跟踪上最优转速。为此,本文提出了一种基于转速跟踪目标优化的MPPT控制策略。该方法综合考虑了风力机的转速跟踪能力与风能随风速分布的特点,通过调整风力机转速参考指令,在减小其转速跟踪目标变化程度的同时,强调高风速风能的跟踪效果,进而兼顾了低风速风力机的效率和载荷。